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燃烧仿真：火灾模拟的边界条件设置教程

1燃烧仿真基础

1.1燃烧模型简介

燃烧仿真依赖于一系列复杂的数学模型来描述燃烧过程中的物理和化学现

象。这些模型包括但不限于：

反应动力学模型：描述化学反应速率，如Arrhenius定律，用于计

算反应速率常数。

湍流模型：如k-ε模型或大涡模拟(LES)，用于描述火焰在湍流环

境中的传播。

传热模型：包括辐射、对流和传导传热，用于计算火焰中的能量

转移。

多相流模型：用于处理气-液或气-固相的相互作用，如泡沫燃烧

或粉尘爆炸。

1.1.1示例：Arrhenius定律

Arrhenius定律是描述化学反应速率与温度关系的基本公式。其数学表达式

为：

−

=exp

其中：-是反应速率常数。-是指前因子，也称为频率因子。-是活

化能。-是理想气体常数。-是绝对温度。

1.1.1.1代码示例

#Arrhenius定律计算反应速率常数

importnumpyasnp

defarrhenius_law(A,Ea,R,T):

计算Arrhenius定律下的反应速率常数。

参数:

A:float

指前因子，单位为1/s。

Ea:float

活化能，单位为J/mol。

R:float

1

理想气体常数，单位为J/(mol*K)。

T:float

绝对温度，单位为K。

返回:

k:float

反应速率常数，单位为1/s。

k=A*np.exp(-Ea/(R*T))

returnk

#参数设置

A=1.0e10#指前因子，1/s

Ea=100000#活化能，J/mol

R=8.314#理想气体常数，J/(mol*K)

T=300#绝对温度，K

#计算反应速率常数

k=arrhenius_law(A,Ea,R,T)

print(f在{T}K时的反应速率常数为：{k:.2e}1/s)

1.2火灾模拟的重要性

火灾模拟在安全工程、建筑设计和应急响应规划中至关重要。它帮助工程

师和设计师理解火灾发生时的烟气流动、温度分布和火焰传播，从而设计更安

全的建筑结构，制定有效的疏散策略，以及评估消防系统的性能。

1.2.1应用案例

建筑设计：确保建筑物在火灾情况下能够安全疏散人员。

火灾探测与报警系统设计：评估系统在不同火灾场景下的响应时

间。

消防训练：为消防员提供虚拟环境，进行火灾扑救训练。

1.3仿真软件的选择与介绍

选择合适的仿真软件是进行燃烧仿真研究的关键。市场上有多种软件，如：

FireDynamicsSimulator(FDS)：由美国国家标准与技术研究院(NIST)

开发，基于第一原理的火灾模拟软件。

Fluent：由ANSYS公司提供，广泛应用于工业流体动力学和燃烧

仿真。

PyroSim：FDS的用户界面，简化了FDS的使用，适合非专业用户。

2

1.3.1软件介绍：FireDynamicsSimulator(FDS)

FDS是一款基于第一原理的火灾模拟软件，它使用有限体积法求解Navier-

Stokes方程，能够模拟火灾中的烟气流动、热辐射和火焰传播。FDS的模型包

括：

燃烧模型：使用Arrhenius定律描述化学反应